Опубликовано в журнале СловоWord, номер 63, 2009
Родился в 1929 году. До 1994 года жил в Москве. В 1994 году эмигрировал в США, живу в г. Мэдисон, штат Висконсин. По роду научных занятий – кибернетик; кандидат технических наук. Занимался системами принятия управленческих решений при неполной информации. Интересовался теоретическими вопросами единства процессов управления в инженерных системах и в живых организмах. Опубликовал 65 научных статей, в т.ч. три книги. С 1996 года занимаюсь журналистикой – автор и редактор русской страницы местной англоязычной газеты. Опубликовал более сотни историко-публицистических статей, часть из них – в журналах «Вестник» и «Алеф», в чикагской газете «7 дней» и Интернет-журнале «Заметки по еврейской истории».
Заметки о происхождении и развитии жизни на Земле
Статья посвящается моей жене Галине Бабич,
которая была ее первым читателем и задала
столько вопросов, что на них нет ответа не только
у автора, но и у всех мудрецов, вместе взятых.
Еще с незапамятных времен, на заре своего развития, в короткие периоды затишья в борьбе за выживание, человек, глядя на окружающий мир, задавался вопросом «Откуда это все взялось?». Позднее, когда пришла пора абстрактного мышления, а проблемы мореплавания заставляли людей изучать небесные светила, потребовалось мысленно выйти за пределы Земли. Затем появились древние философы и вопрос о происхождении окружающего мира с новой силой стал занимать умы. Так или иначе, но в течение тысячелетий люди задаются вопросами: «Есть ли Бог?» и «Что такое Бог?». Эти вопросы остаются актуальными и сейчас, несмотря на достижения физики, биологии и других естественных наук. По-прежнему философы и теологи, теперь уже совместно с учеными, продолжают обсуждать коренные проблемы мироздания.
Настоящая статья является публицистической. В ней кратко рассматривается теория происхождения Земли и обсуждаются два основных подхода к проблеме происхождения и развития жизни на Земле – эволюционный и «божественный» (в современном понимании этого слова). Она основана на наиболее значимых научных публикациях, появившихся за последние годы в этой области.
1. О происхождении Вселенной и Земли
За последние десятилетия наука о происхождении Вселенной пришла к теории Большого Взрыва (Big Bang). Эта теория утверждает, что Вселенная начала создаваться 13-15 миллиардов лет тому назад. Из астрономии известно, что Вселенная состоит из галактик, представляющих собой скопления звезд. В нашей галактике, куда входит Солнечная система, насчитывается 10 миллиардов звезд, а всего в той части Вселенной, которая сегодня доступна человеку для астрономического наблюдения, имеется 10 миллиардов галактик. По определению Советского Энциклопедического Словаря размеры Вселенной бесконечны, что непонятно. До Большого Взрыва не существовало ни времени, ни пространства, т.е. как бы ничего не было. После того как он произошел Вселенная непрерывно расширяется. В результате Взрыва началось время и движение материи в разные стороны, т.е. появилось пространство, которое расширяется. Материя Вселенной, двигаясь от ее центра, как бы «гонит» впереди себя пространство. За ее пределами пространства нет.
Один из вариантов космогонной теории развития Вселенной, частью которой является теория Большого Взрыва, заключается в том, что Вселенная пульсирует. Вслед за периодом расширения наступает сжатие и все заканчивается Большим Хлопком (когда Вселенная «исчезает»). Затем опять последует Большой Взрыв и расширение вновь созданной Вселенной. Теория утверждает даже, что наша Вселенная начнет сжиматься через 20 миллиардов лет после Большого Взрыва, т.е. это начнется «отныне» через 5-7 миллиардов лет. Теория пульсации Вселенной не является общепризнанной.
С космогонной теорией происхождения Вселенной «соседствуют» религиозные представления о том, что она создана Богом. Исходя из космогонной теории и обращаясь к вездесущему, все видящему, но в какой-то мере все же «материализованному» Богу, сталкиваемся с таким вопросом: где был Бог до сотворения Вселенной. Ведь ничего же не было? Если следовать теории пульсации, то вопрос о том, кто «дал команду» на Взрыв отпадает, так как материя пульсирует «сама». В этом случае места самому Богу не остается.
Все же еще обратимся к религиозным представлениям о происхождении Земли. Тора (Ветхий Завет) утверждает, что Бог сотворил мир за шесть «рабочих» дней (мы говорим «рабочих», так как сказано, что на седьмой день Бог отдыхал). В течение веков люди читали Тору. Одновременно с этим наука открывала все новые сведения о том, что происходило в мире миллионы и миллиарды лет тому назад. Эти сведения нужно было как-то согласовать с «шестью днями» Торы. Раввины, трактовавшие Тору, давно обсуждают значение слова «день», на иврите «йом» («йом-Кипур» – Судный день). Это слово они первоначально связывали с дневным циклом Земли, но ведь до сотворения мира не было и Земли. О каком дне идет речь в Торе? Но это – раввины. У них свой угол зрения, с позиции религии.
Проблемой хронологии создания мира и анализом ее описания в Торе занялся доктор технических наук В. Раевский [1]. На основании скрупулезного лингвистического толкования текста Торы он утверждает, что нельзя ограничиваться чисто языковым значением слова «йом» – день. Поскольку Тору можно толковать по-разному, «между строк», то оказывается, что «йом» может означать также промежуток времени, в том числе и миллиарды лет, т.е. не обязательно земной день. Тогда упрощенный, «шестидневный», процесс создания мира удлиняется и приходит в соответствие с физической теорией Большого Взрыва. Аналогичное лингвистическое толкование В. Раевским других частей Торы также, по его мнению, доказывает, что из ее текстов вытекают открытия науки, сделанные за последние годы.
Теория Большого Взрыва и результаты других достижений науки не были известны четыре-пять тысяч лет тому назад, когда Тора пришла к людям. Только Бог «знал» законы сотворения мира, которое было совершено им и описано в Торе. Таким образом, В. Раевский в лингвистических деталях текста Торы видит доказательство ее божественного происхождения и, следовательно, божественного происхождения мира.
Таким образом, научное объяснение происхождения Земли основано на теории Большого Взрыва. Это не исключает религиозного понимания проблемы, примером чего является точка зрения В. Раевского. Не менее, а может быть более сложными являются представления о происхождении и развитии жизни на Земле, которые, как уже было сказано, основаны на эволюционном и «божественном» подходах.
2. Что не может объяснить эволюционная теория происхождения жизни на Земле
За последние несколько лет в научной и общественной среде, а также в системе школьного образования США, развернулась дискуссия о соотношении заложенного теорией Дарвина эволюционного пути развития всего живого на Земле и философии Разумного Замысла (РЗ) (по-английски Intelligent Design, сокращенно – ID). Философия Разумного Замысла вовсе не означает примитивную концепцию всесильного Бога, который все сотворил, все может и все знает. Эта гипотеза предполагает, что РЗ может обладать вполне материальной сущностью, но иметь внеземное происхождение. В дискуссии об РЗ наметился уход от однозначной приверженности Дарвинизму. Ведь известно, что в то время как эволюционная теория содержит объяснение многих (но далеко не всех) процессов развития, она не отвечает на вопрос об изначальном происхождении жизни на Земле.
Одним из проявлений такой дискуссии явилось издание в 2005 году книги группы американских ученых-биохимиков и биологов [2]. Книга написана как учебник средней школы, но ее значение выходит за эти рамки. В ней рассматривается ряд вопросов происхождения и развития жизни на Земле, ответ на которые не укладывается в эволюционную теорию.
Издавна люди задавались вопросом: «Что такое жизнь?». Кратко остановимся на этом.
Еще Ф. Энгельс писал, что «жизнь есть форма существования белковых тел». Белки – это высокомолекулярные органические соединения. Биохимические превращения белков являются базой процессов жизнедеятельности всех организмов. Необходимость постоянного обновления белков лежит в основе обмена веществ. Обмен веществ – это взаимосвязанный биохимический процесс, направленный на непрерывное обновление живого материала и обеспечение его необходимой энергией. Этот процесс осуществляется путем последовательных химических реакций с участием ферментов. Для каждого вида организмов характерен особый, генетически закрепленный тип обмена веществ, зависящий от условий существования вида. Белки структурно состоят из звеньев и построены из 20 остатков (химических формул) аминокислот. В организме человека имеется свыше миллиона различных белков.
Еще каких-нибудь сто лет тому назад ученым казалось, что такого представления о роли белков в живой природе достаточно для понимания существа жизни на Земле. Так или иначе, но наука утверждала, что белки и обмен веществ как бы существуют сами по себе. Происходящие в них процессы подчиняются внутренним биохимическим законам. Затем было установлено, что эти законы «записаны» где-то вне белков и реализуются генами (открытие Менделя), хотя химическая сущность генов была тогда непонятна. Эта «непонятность» сохранялась до тех пор, пока не стала известна структура основной молекулы ядра клетки – дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), основным информационным элементом которой является ген. Молекула ДНК представляет собой высокополимерное соединение.
В 1953 году было сделано фундаментальное открытие. Установлено, что ДНК состоит из двух полинуклеотидовых цепей, закрученных в двойную спираль. Вдоль цепей от одной спирали к другой имеются поперечные «распорки», также являющиеся нуклеотидами. Молекула ДНК является носителем генетической информации. Отдельные участки спирали вместе с их «распорками» соответствуют определенным генам. Каждый ген с помощью ферментов управляет своим видом белкового обмена. Последовательность генов составляет генетический код. Открытие структуры ДНК объяснило каким образом генетическая информация записана в молекуле ДНК и позволило высказать предположения о химических механизмах самовоспроизведения этой молекулы. Молекула ДНК точно воспроизводится при делении клетки, что обеспечивает в ряду поколений клеток и целых организмов передачу наследственных признаков и «команд» на осуществление специфических форм обмена веществ. Молекула ДНК клеток сложных организмов состоит из десятков тысяч генов, а человека – около ста тысяч генов.
Революционность открытия структуры ДНК состояла в том, что был найден механизм управления жизнью клетки. Стало ясно, что непосредственно обмен белковых веществ – это, как говорится, еще «полдела». Обмен не может осуществляться без управления. Законы этого управления хранятся за пределами белков, а именно – в молекуле ДНК. Одновременно стал ясен механизм наследования этих законов управления. Благодаря тому, что структура молекулы ДНК дочерней клетки в точности повторяет эту структуру ее «родительницы», достигается устойчивость поколений живых организмов. В результате этого из зерна пшеницы не может вырасти рис, а корова не может родить оленя. Правда, при воспроизведении в молекуле ДНК могут произойти некоторые отклонения – мутации, которые, поскольку они оказываются заложенными именно в ДНК, могут быть переданы по наследству. Это второе «могут» выживет в зависимости от того помогает ли данная мутация в конкурентной борьбе особи. Таким образом действует закон естественного отбора, открытый Дарвиным. Такой механизм наследования предотвращает от закрепления «уродских» мутаций. Вспомним, что рождение одного человека с шестью пальцами на руке не приводит к наследуемому увеличению числа пальцев – мы прекрасно обходимся пятью пальцами. При помощи механизма естественного отбора в живой природе достигается динамизм развития в нужном направлении в соответствии со складывающимися условиями существования.
Закон естественного отбора, который дает объяснение многим процессам эволюции жизни на Земле, оставляет открытым вопрос об изначальном происхождении этой жизни. Ученые давно задумывались о ее первоистоках. Еще до того, как стала известна роль ДНК предпринимались попытки искусственного синтеза белка. В 1922 году советский академик А. Опарин выдвинул гипотезу синтеза аминокислот, которые являются структурными элементами белковых соединений. Эта гипотеза была положена в основу его теории о возникновении жизни на Земле. Согласно А. Опарину простые неорганические вещества, содержащиеся в атмосфере (углекислый газ, метан, пары воды и др.), под воздействием земных физических процессов трансформировались в сложные компоненты коллоидального характера. Попадая в мировой океан, эти компоненты формировали микроскопические «комки», образовывался так называемый органический «суп», в котором возникли первые вирусоподобные частицы, а затем и живые клетки. В начале 1950-х годов в Чикагском университете была создана установка для моделирования химических процессов, лежащих в основе гипотезы А. Опарина. В установке был осуществлен циклический процесс, в котором простые неорганические вещества подвергались воздействию высокой температуры и высоковольтных электрических разрядов. После охлаждения и конденсации в отстойнике скапливался раствор, содержавший те самые аминокислоты, которые биологи видят в современных живых клетках. Чикагский эксперимент подтвердил положение о том, что химические «кирпичи» жизни могли быть созданы в примитивных условиях, существовавших на Земле до зарождения жизни. Несмотря на многие несовершенства эксперимента, эволюционной теории происхождения жизни был дан существенный импульс.
А дальше появились сомнения. Дело в том, что для построения белков из блоков аминокислот необходимы ферменты, которые сами являются специальными белками. Для завершения химической структуры живой материи нужна молекула ДНК, в которой закодировано взаимодействие аминокислот и ферментов для функционирования белкового обмена. Перед химиками возник вопрос типа: «Что было первым – курица или яйцо?». Для решения проблемы ученые стали искать пути формирования белковых молекул из аминокислот, минуя ферменты и ДНК. Были получены частичные результаты, но решение проблемы в целом «уткнулось» в осуществление случайного процесса, имеющего такую низкую вероятность, что подрывало саму основу эволюционной теории зарождения жизни. Поэтому гипотеза А. Опарина и эксперименты по ее реализации не привели к фундаментальному результату. В конечном итоге это произошло потому, что глубокие различия физических и химических законов неорганического мира, с одной стороны, и биохимических процессов в живой природе, с другой стороны, не позволяют найти путь самопроизвольного происхождения живых организмов из неорганической природы. По этой причине удалось только дойти до образования белкового «супа» в недрах первоначально неорганического мирового океана. А следующий шаг – в направлении происхождения ДНК, сделать не удается. Но без ДНК нет и самой жизни. Исследователи подсчитывают вероятность самозарождения нити ДНК, но такая вероятность столь мала, что нет оснований рассматривать ее серьезно.
Как и многие другие ученые, размышляя об истоках жизни на Земле, F.Crick (который был одним из авторов открытия спиральной структуры ДНК, за что он и J.Watson в 1962 году получили Нобелевскую премию) высказал идею колонизации Земли [3] (возможно, он был не первым). Идея состоит в следующем. Если в нашей галактике есть другая жизнь, кроме земной, то она не может существовать на звездах, поскольку они раскалены настолько, что условия на них не соответствуют представлениям о биологических формах материи. Поэтому жизнь возможна не на звездах (других «солнцах»), а только на планетах звезд. Представим теперь, что на планете какой-то звезды нашей галактики развилась жизнь более совершенная, чем земная. У этих живых существ могла возникнуть потребность колонизировать другую планету, например, Землю. С развитием космонавтики мы понимаем технические и биологические трудности такой колонизации. Главных проблем здесь две: энергетический ресурс и полезный вес космического корабля. Ясно, что для космического полета высокоорганизованного существа требуется в сотни и тысячи раз больше энергии и полезного веса корабля, чем для отправки на другую планету простейших микроорганизмов. Это последнее могло быть сделано внеземной цивилизацией. Эту гипотезу F.Crick называет Направленным Осеменением (Directed Panspermia). Гипотезой F.Crick объясняет некоторые особенности эволюции жизни на Земле, в частности, хронологию этой эволюции. Идея Направленного Осеменения является интерпретацией дошедшего до нас из древности верования о том, что жизнь на Землю была занесена пришельцами извне.
3. Человек, живая природа и информация
Неразрешенность на химическом и биологическом уровне проблемы происхождения жизни привела к некоторому повороту в философской мысли о самом существе жизни. Своеобразный подход к пониманию роли информации в живой природе с целью философского объяснения биологических законов жизни был сформулирован H.Rolston’ом в цикле лекций, прочитанных в 1997-1998 годах в университете Эдинбурга, Шотландия [4].
Действительно, мы являемся свидетелями взрывного увеличения значения информации в окружающем мире. Говоря об информации на макроуровне, т.е. о взаимодействии биологии человека (его генетической структуры) с его культурной средой (куда входят наука, этика религия и т.д.), H. Rolston проводит аналогию с компьютерами, которые состоят, как известно, из оборудования (hardware) и программного обеспечения (software). При таком сопоставлении роль hardware играет мозг человека (биология), а software реализует культуру, содержащуюся в таком «компьютере». Человечество, т.е. все население, является как бы одним большим компьютером, состоящим из шести миллиардов различных «малых» компьютеров (численность населения Земли). В каждом из «малых» компьютеров, т.е. человеке, содержится свое программное обеспечение (software), отличное от software другого человека в той мере, в какой различаются психологические особенности людей, например, их черты характера или понятия, зависящие от исповедуемой религии. В software разных людей входят общие части, присущие человечеству в целом или отдельной группе людей, например, общие этические концепции. Людям присущи различия в работе мозга (бывают дураки и умные), поэтому «малые» компьютеры этого огромного «компьютера» неодинаковы.
В целом, культура есть продукт мозга, т.е. биологии человека. Биология определяет такие качества как инстинкт самосохранения и стремление к продолжению рода. Но можно указать на влияние в обратном направлении, т.е. культуры на биологию. Например, известно, что догматы разных религий (культура) по-разному влияют на понимание человеком необходимости продолжения рода (биология). Другой пример – соотношение эгоизма и альтруизма. Человек по своей биологической природе эгоистичен, так как механизм естественного отбора направлен на выживание индивидуума, т.е. эгоизм – это биология. Альтруизм же – это, напротив, продукт культуры, а не биологии. Развитие человеческого общества в направлении альтруизма приводит к уменьшению уровня эгоизма. На чисто качественном уровне введем шкалу альтруизма размером в 100%. Тогда в полностью биологической среде эгоизм максимален, т.е. уровень альтруизма равен нулю (хотя даже в животном мире известно чувство стадности, что являет собой разновидность альтруизма). Если же все общество последует религиозному догмату «возлюби ближнего как самого себя», то это будет означать, что уровень альтруизма установится равным 50%, т.е. человек заботится о других в той же мере как и о самом себе. Когда некий уровень альтруизма закрепляется на генетическом уровне, то это и означает влияние культуры на биологию.
Оценивая далее объем информации в живой природе на микроуровне, Rolston приводит следующую иллюстрацию. Если все молекулы ДНК человеческого тела, составляющие его генную структуру, распрямить (они «закручены» в длинную двойную спираль, которая свернута в клубок) и составить из них одну суммарную нить, то ее длина будет равна двенадцатикратному расстоянию от Земли до Солнца. Такая нить состояла бы из огромного множества участков, генов. Участки обладают большим многообразием, определяемым биологическими особенностями данного человека и всех типов его клеток. Еще один количественный показатель объема информации молекулы ДНК: длина одной молекулы составляет один метр, что в десятки миллионов раз больше размера любой другой молекулы. Все это иллюстрирует огромность совокупной информации, содержащейся в ДНК человеческого организма.
Придавая ведущее значение информации, Rolston строит информационную концепцию живой природы, которая заключается в следующем. Для живых существ ключевым понятием, которое объясняет их сложность, является информация, содержащаяся в ДНК. Задача познания жизни состоит в раскрытии закона органического мира, который описывает сущность информации и способы ее передачи. Жизнь есть динамическое состояние материи, управляемое при помощи информации. Это положение Rolston формулирует так: «Материя и информация – это две области существования, которые нужно рассматривать раздельно в своих собственных терминах» [4]. Гены – это не предметы (если и предметы, то не в этом главное), не объекты, а пакеты информации (и в этом главное). Установление различия между средой (материальным носителем информации) и сообщением (собственно информацией), является абсолютно необходимым для понимания эволюции.
Структура ДНК именно в виде двойной спирали с «распорками» между ее участками содержит в себе огромный информационный смысл. Если бы это была простая нить, то, даже разделив ее на отдельные участки, было бы трудно придать каждому участку локальное информационное значение, имея ввиду необходимость структурирования информации. Закручивание нити в спираль, само по себе, не придавало бы такой структуре дополнительного информационного значения. И только двойная спираль с добавлением «распорок» предоставляет новые возможности структурирования информации, т.е. в двойной спирали содержится глубокая рациональность.
Таков информационный угол зрения на сущность жизни на Земле. Теория Rolston’а этим не ограничивается и переходит в область философии. В процессе изучения происхождения и эволюции биологической материи возникает вопрос: откуда информация пришла в живую природу, т.е. в молекулу ДНК? Из-за отсутствия лучших объяснений мы просто говорим, что живая природа обладает способностью к самоорганизации и организуется спонтанно.
Далее процитируем Rolston’а и прокомментируем его философскую информационную концепцию жизни:
«В описаниях идеи о ‘самоорганизации’ непременно признается, что для спонтанной организации не требуется новой материи или энергии. …Трудно себе представить, чтобы такая информация поступала ниоткуда. В процессе эволюции нечто происходит ‘через головы’ каждого и всех индивидуальных организмов. Большее происходит из меньшего, этот процесс повторяется опять и опять. Наиболее правдоподобное объяснение этому состоит в том, что, в дополнение к самоорганизации, имеется Основа Информации (Ground of Information) или Информационное Окружение (Ambience of Information), находящееся вне Земли, что иначе известно как Бог« (выделено мной – Г.Б.). Мы ничего не знаем о живой материи за пределами Земли. Функционирование Информационного Окружения находится вне нашего понимания существа живой материи.
Посмотрим на таким образом сформулированную философскую концепцию с позиции материализма. Когда мы говорим об информации, то подразумеваем носитель, на котором эта информация содержится. Информация может передаваться от одного носителя к другому. Непосредственно в процессе этой передачи информация «висит в пространстве», а точнее, существует в электромагнитных волнах или в другом, «временном», носителе. Если расстояние между передатчиком информации и приемником исчисляется световыми годами, как в космическом пространстве, то нахождение информации на «временном» носителе также длится годами. Будучи принятой приемником, информация далее в нем содержится. Говоря по Rolston’у об Информационном Окружении, за скобками остается вопрос о носителе, на котором это Окружение содержится. Другими словами, если это и есть Бог, то где он находится? Возникает также вопрос о том кто «дает команду» о передаче информации от одного носителя к другому. Носителем информации о живой природе на Земле является молекула ДНК. Допустим, до возникновения жизни на Земле эта информация находилась где-то за ее пределами. Кто дал команду о передаче информации на Землю? Таким образом, информационная концепция Бога, давая свое объяснение происхождения жизни на Земле, т.е. как бы разрешая локальную проблему, приводит к новым вопросам, ответы на которые в этой концепции не содержатся.
Рассуждая об информационной основе происхождения всего живого на Земле, представим себе, что атомы химических элементов случайным образом сталкиваются и образуют сначала «неосмысленные» соединения, как это происходит в неживой природе. Но затем на процесс влияет Информационное Окружение, которое приводит к образованию элементов будущей спирали ДНК. Эти элементы направленно, под воздействием того же Информационного Окружения, эволюционируют в сторону усложнения. Ведь молекула ДНК простейшей клетки существенно проще такой молекулы в клетке современного человека. Здесь опять остается открытым вопрос о материальном носителе информации, которая привела к созданию живой природы, и о ноу-хау, при помощи которого эта информация определяет такой процесс.
В этой связи еще раз вернемся к фундаментальному утверждению Rolston’а о том, что материя и информация – это две области существования, которые нужно рассматривать раздельно. В этом нам поможет аналогия с технической системой связи. Когда мы по телефону передаем информацию, мы знаем, что колебания воздуха, вызванные нашим голосом, воспринимаются микрофоном, который преобразует их в колебания электрического тока. Эти колебания передаются либо по проводам, либо с помощью элетромагнитных волн по радиоканалу и на приемной стороне преобразуются в звуковой сигнал, который воспринимает наш абонент. Получив сообщение, абонент оценивает не «вольты и амперы» электрического тока, а информацию, которую он получил. Нечто подобное можно сказать о биохимической системе. Здесь информация содержится в молекуле ДНК. Когда эта молекула с помощью фермента передает информацию белковому соединению, то не происходит ничего другого как сцепление и расцепление химических элементов (кислорода, водорода, углерода) в соответствии с их валентностями. Но в этом процессе нам важны не валентности, а передаваемая информация. Эту информацию мы должны рассматривать отдельно от биологического механизма ее передачи, аналогично тому, как делаем это, говоря по телефону.
Разделив материю и информацию, мы приходим к суждению о том, что процессы развития, происходящие в живой природе, вплоть до образования молекул ДНК и генов, происходят под управлением того самого Информационного Окружения. Физико-химические законы неорганической природы современная наука объясняет, а первооснова живой природы, выражающаяся в виде Информационного Окружения, сегодня пока непонятна. Поэтому условно (до новых открытий науки) это называется Богом. Бог в такой интерпретации – это информация, которая поступила в биологическую систему извне и передается в ней от одного носителя к другому. Такова, вкратце, философская концепция Rolston’а.
4. О развитии животного мира Земли
Материя разделяется на два вида. В результате Большого Взрыва образовалась «неживая» материя, которая функционирует по своим законам. Так, атомы водорода и кислорода, соединившись в соответствии с их валентностями, образуют воду. Небесные тела, двигаясь по космическим орбитам, подчиняются закону всемирного тяготения. А вот «живая» материя, по крайней мере в том виде, как мы ее понимаем на Земле, подчиняется не только законам «неживой» материи, но также и другим, своим, законам. Соответственно, происхождение «неживой» материи имеет как бы свою «природу», а «живой» – свою.
Кратко о «хронологии» развития Земли и жизни на ней.
Солнечная система сформировалась 4,8 млрд-тн, а возраст Земли насчитывает 4 (по другим источникам 4,6) миллиарда лет.
Возникновение на Земле «живой» природы – простейших клеток, прокариотов (prokaryotes), которые были лишены ядра, датируется 3,8 млрд-тн. Век прокариотов длился очень долго и только 1,2 млрд-тн на Земле появились эукариоты (eukaryotes), т.е. «современные» клетки.
Первые живые организмы с твердыми частями тела появились 600 млн лет тому назад (сокр. – млн-тн), а возникновение млекопитающих датируется 200 млн-тн. Динозавры погибли 100 млн-тн в результате столкновения с Землей космического тела длиной в 10 миль. Такая катастрофа не нанесла Земле долговременного повреждения, но привела к образованию в атмосфере огромного скопления пыли. На какое-то время изменился климат и динозавры не вынесли этого изменения.
Австралопитеки (Australopithecus habilis) сформировались 2 млн-тн, а их пра-прародители появились примерно 14 млн-тн. Затем развитие привело к появлению Человека прямоходящего (Homo erectus) – 1 млн-тн, и, наконец, относительно незадолго до нашего времени, 40 тыс лет тому назад, появился Человек разумный (Homo sapiens). Интересно в этой связи, что объем мозга Австралопитека составляет 1/2 объема мозга современного человека, а у Человека прямоходящего он равен 3/4 объема мозга нашего современника.
Для того чтобы акцентировать внимание на некоторых деталях развития животного мира Земли обратимся к геологической и палеонтологической периодизации, предложенной A.Parker’ом [5].
1) Период, который A.Parker называет до-Кембрийским (pre-Cambrian) – от начала формирования Земли 4600 млн-тн до 543 млн-тн.
2) Период Большого Скачка в Эволюции (Big Bang of Evolution), не следует смущаться соседством казалось бы несовместимых понятий «скачок» и «эволюция»), сокращенно БСЭ (не путать с Big Bang в истории Вселенной!). БСЭ произошел на «коротком» интервале времени – от 543 млн-тн до 538 млн-тн. О БСЭ ученые знали давно, но оценка и объяснение этого периода впервые сделаны A.Parker’ом.
3) На интервале от 538 млн-тн до настоящего времени животный мир, включая человека, развился до уровня, который мы видим сегодня.
Общепринятый в палеонтологии Кембрийский (Cambrian) период включал в себя время БСЭ и длился 50-70 миллионов лет – от 543 до 490 млн-тн (в разных источниках эти цифры несколько отличаются).
Для понимания смысла такой периодизации обратимся к особенностям этих трех периодов.
До-Кембрийский период был временем эволюционного развития. Сущность периода состоит в том, что именно тогда на Земле зародилась жизнь (каким бы путем это ни произошло, в частности, путем направленного осеменения, о котором говорил F.Crick, см. раздел 2). Животный мир в конце до-Кембрийского периода состоял всего из 3-х типов (в современной классификации), включая трилобитов (trilobite), о которых скажем здесь, потому что именно у них в период БСЭ появился глаз (см. ниже). Для сравнения отметим, что современный животный мир подразделяется на 38 типов, а животный и растительный мир насчитывает 5 млн видов. (Вид – это самая низкая ступень в классификации животных и растений.) Всего за время развития жизни на Земле в процессе ее эволюции существовало 5 млрд видов.
Эволюция приводила не только к увеличению количества видов, но и к их все возрастающему усложнению. Это вытекает из самого принципа естественного отбора, в процессе которого выживающие мутанты становятся более сложными, так как эта сложность позволяет им приспособиться ко все более меняющейся внешней среде и выжить в конкурентной борьбе. Человек является самым сложным видом и в этом смысле характерно, что «всего лишь» за 2 млн лет объем его мозга удвоился. Нетрудно представить какое увеличение сложности и степени совершенства стоит за этим.
Основной особенностью животного мира до-Кембрийского периода является то, что живые существа были лишены чувства, которое мы сегодня называем зрением. Они обладали только чувствами осязания, вкуса и запаха. Правда, некоторые из них, наиболее развитые, имели светочувствительные участки тела, которые реагировали на свет, но это было далеко от того, что мы сегодня называем глазами.
Главная особенность Большого Скачка в Эволюции состоит в том, что в это время у большинства животных сформировался орган зрения – глаз. И что еще более важно, зародилась система, которая называется видением. Глаз, как известно, является лишь частью этой системы. Его назначение состоит в том, чтобы воспринять на светочувствительной сетчатке световые сигналы окружающего мира и сформировать сообщение об этих сигналах. Второй частью системы видения является зрительный нерв, который передает сообщения сетчатки в головной мозг. И только головной мозг, специальная область которого составляет третью, наиболее сложно организованную, часть системы, формирует зрительный образ, т.е. завершает процесс видения. Сегодня 95% информации, которую животные и человек получают от внешнего мира, составляет зрительная информация. Уже из этого видно значение периода БСЭ.
Появление зрения ввело в жизнь животного мира понятие цвета. В этой связи напомним, что Земля освещается солнечными лучами, которые несут электромагнитные колебания в огромном диапазоне частот. Луч света, попадая на предмет, частично поглощается, частично пропускается им, частично отражается от него. Отраженный луч воспринимается глазом, который использует попавший на него луч для построения зрительного образа предмета. При этом, в зависимости от того какие частоты солнечного луча отражаются от предмета, возникает предпосылка различения предметов по их цвету. Цвет – это понятие условное. Цвета различаются не более чем частотами излучений, которые отражаются от предмета. Такое различие реализуется уже системой видения животного, т.е. понятие цвета существует только в воображении животного. Появление понятия цвета имело огромное значение, так как благодаря этому у животных появилось новое качество в оценке окружающей среды. В этом заключается еще одно колоссальное значение периода БСЭ.
Рассмотрим приведенную в книге A.Parker’а модель эволюционного развития глаза. Развитие началось с появления светочувствительного пятна на теле животного и завершилось построением у многих животных совершенного глаза камерного типа, оснащенного хрусталиком (см. рисунок). В этой модели в качестве исходной оценки, довольно заниженной, принято, что в результате мутации при смене одного поколения глаз эволюционирует всего лишь на 0,0005%. А дальше начинает работать закон больших чисел, который математически нетрудно превратить в последовательность этапов построения глаза, показанных на этом рисунке.
Появление видения в период БСЭ оказалось столь мощным фактором развития, что «всего лишь» за 5 миллионов лет количество типов животных возросло с 3 до 38, т.е. их стало столько же сколько сегодня. Интервал в 5 миллионов лет действительно невелик по сравнению со временем от начала образования Земли (4600 млн-тн) до периода БСЭ (543 млн-тн), т.е. если быть арифметически точным – с интервалом времени в 4057 млн лет.
И, наконец, в период БСЭ сформировался еще один фактор ускоренного развития животного мира – появились хищники и их жертвы. Более того, весь животный мир разделился на две части по признаку принадлежности к одной из этих групп. Такое разделение непосредственно вытекало из развития функции видения. С приобретением зрения у хищников появилась способность к погоне, а у жертв развились более совершенные способы спасения, основанные на видении опасности и способности оценить степень угрозы. При этом зрение у хищников и жертв совершенствовалось по-разному. Например, у зайца глаза расположены на голове таким образом, чтобы каждый глаз обеспечивал обзор на 180 градусов, т.е. заяц имеет круговой обзор. А у хищницы-лисы глаза смотрят только вперед, чтобы дать ей возможность выследить жертву и затем правильно выбрать тактику погони.
Период после Большого Скачка в Эволюции опять являлся эволюционным. Проблема выживания вида решалась у живых существ с помощью использования различных физических и химических процессов и явлений. Здесь и дифракционные решетки на поверхности тела, которые способствуют маскировке, разнообразные способы изменения окраски (хамелеоны) с целью либо маскировки, либо отпугивания хищника, выработка светящихся химических веществ для приобретения необходимого цвета в зависимости от изменяющейся обстановки и многое другое. Все это основано на способности животных видеть. Что касается взаимоотношения хищников и их жертв, то период БСЭ характеризовался некоторым хаосом, т.е. хищники, получив зрение и с ним – новые возможности поиска жертв, начали жизнь в преимущественных условиях, а жертвы в ответ на это стали лихорадочно «искать» новые средства защиты. Видение пришло животным «в мгновение ока», а затем произошедшее в результате этого возмущение улеглось. Оно привнесло «свалку» в борьбе за занятие новых ниш жизни, открывшихся в результате появления органа зрения. Как только освободившиеся ниши оказались занятыми, возобновилось прежнее состояние микроэволюции, т.е. в период с 538 млн-тн и до наших дней жизнь, в части взаимоотношений хищников и их жертв, проходила в эволюционном состоянии баланса и стабильности. Таким образом, видение, появившееся в период БСЭ, в течение последующего полумиллиарда лет, являлось одним из главных факторов эволюционного развития животного мира.
Теперь время задуматься над тем, перефразируя Шекспира, «все ли так спокойно в датском королевстве». Здесь имеется ввиду все ли в природе хорошо согласуется с эволюционной теорией развития жизни на Земле? Думается, что нет. Приведем несколько примеров, а потом попробуем сделать некоторые обобщения.
Первый пример – это описанная выше система видения. Мы привели результаты расчетов по модели эволюционного развития глаза, именно глаза, а не всей системы видения. Хотя нет измерителя сложности отдельных органов животного, можно сказать, что система видения в целом является сложнейшей частью организма. Мы знаем о мутации генетической структуры особи, как она запускает механизм естественного отбора и как этот механизм «работает» в системе эволюции. Мы также в состоянии понять длительные эволюционные процессы, которые современный человек наблюдает только в течение короткого периода времени. Но даже гениальное видение Дарвина и наше воображение отказываются осознать, как эти процессы развивались на интервале времени, скажем, в миллион лет и на миллионах и миллионах особей одного и того же вида. В этой связи даже невообразимо малые вероятности могут предстать в другом свете, и эволюционное развитие сложной системы не покажется столь невероятным. Тем не менее, на чисто умозрительном уровне трудно вообразить как такое сложное «устройство», как видение могло сформироваться эволюционным путем. Да и как выяснилось не только на нашем умозрительном. Даже Дарвин, основоположник теории эволюции, в своем фундаментальном труде «Происхождение видов» сказал: «Предположить, что глаз, со всей его неповторимой сложностью, мог бы быть сформирован в результате естественного отбора кажется мне, и я с готовностью это признаю, абсурдом высочайшей степени». В дополнение к этому Дарвин говорил: «Если будет показано, что существует какой-то сложный орган, который не мог бы быть сформирован в результате выполнения огромной последовательности небольших изменений, моя теория будет опровергнута». Таким образом, даже по мнению Дарвина, не все «вписывается» в эволюционную теорию развития.
Рисунок. Эволюционное формирование камерного глаза.
Здесь: Number of generations — количество поколений,
Total — всего.
Обратимся к еще одному примеру. Летучие мыши имеют систему эхолокационной ориентации (СЭЛО), которая построена следующим образом [6]. Мышь периодически выдает импульсы в ультразвуковом диапазоне частот и ее мозг фиксирует время выдачи каждого импульса. Импульс, встречая препятствие, отражается от него и сформированный таким образом эхосигнал попадает в слуховой аппарат мыши. Мозг фиксирует время получения эхосигнала, определяет разницу между этим временем и временем выдачи первичного импульса и по этой разнице определяет расстояние до предмета. Подразумевается, что мозгу, как «вычислителю», должна быть известна скорость звука, но на самом деле происходит процесс, лишь косвенно напоминающий вычислительный. В дополнение к этому у некоторых видов летучих мышей система СЭЛО использует также эффект Доплера, в соответствии с которым частота отраженного сигнала изменяется в зависимости от скорости объекта, на который воздействует сверхзвуковой импульс. В этом случае мозг «знает» несущую частоту исходного импульса, а слуховой аппарат, кроме времени получения эхосигнала, фиксирует также его частоту. По разнице частот определяется скорость движения предмета. В СЭЛО возникает еще одна «техническая» проблема. Дело в том, что «громкость» эхосигнала в десятки раз меньше «громкости» исходного импульса. Для того чтобы исходный импульс не «оглушал» слуховой аппарат, ухо мыши оборудовано системой мышц, которые закрывают его на время выдачи исходного импульса и открывают для приема эхосигнала. Для синхронизации такой процедуры продолжительность исходного импульса должна быть меньше ожидаемого интервала времени между началом исходного импульса и временем поступления эхосигнала, т.е. эхосигнал приходит после того, как закончился исходный импульс. Кроме того, интервал времени между соседними исходными импульсами должен быть больше удвоенного времени прохождения звука до самого дальнего предмета. Как видим, СЭЛО обладает почти фантастическими качествами, присущими техническим системам, созданным человеком совсем недавно. Так работает часть СЭЛО, фиксирующая мгновенную картину окружающего мира. В развитие этой картины в мозгу летучей мыши строится «зрительный образ» мира. Отличие этого образа от «нашего» видения состоит лишь в том, что человек и другие животные пользуются лучом солнечного света, воспринимая и обрабатывая его отражение от предмета, а летучие мыши сами являются источником ультразвукового импульса, эхо которого обрабатывает их система. Отличие состоит также в диапазоне частот: наше видение построено на частотах света, а СЭЛО – на ультразвуковых частотах. Примечательно, что в мозгу летучих мышей создается эхолокационный образ внешних предметов и работает система распознавания образов, основанная на эхолокационном «изображении» предметов. Например, летучая мышь, «видя» «собрата», отличает самца от самки, так как отражательные способности тела самца и самки в ультразвуковом диапазоне различаются.
Описанную систему видения и СЭЛО можно отнести к индивидуальным. Они сложны и совершенны по своим «техническим средствам», но локализованы в отдельно взятой особи. В животном мире известны коллективные системы, в которых используются индивидуальные «технические средства» особей, но эти средства действуют в составе систем, которые охватывают поведение десятков и сотен особей.
У перелетных птиц имеется система ориентации, работающая по земному магнитному полю. Ее работа основана на магнитном «компасе», имеющемся у каждой птицы. Отметим, что это не просто магнитный датчик, который чувствует наличие магнитного поля, а именно компас, способный ориентироваться по этому полю. Но этого мало. Оказывается, что птицы ориентируются также по солнцу, внося коррективы в маршрут с учетом плавного изменения времени года и временных «поясов» (вряд ли они переключаются в соответствии с нашей картой временных поясов, поэтому это слово взято в кавычки). В мозгу птиц, в особенности у вожаков стаи, накапливается зрительный образ местности, над которой они пролетают и с учетом этого образа они определяют конечную цель перелета. Для реализации всей системы сезонной миграции необходимо правильно определить момент вылета «в теплые края» и обратно, отфильтровав воздействие местных изменений погоды. Перелетная система включает, наконец, механизм отличия команды на локальный взлет от команды на сезонный перелет.
Теперь пора остановиться и подумать «что все это значит».
В теории эволюционного развития делается различие между одношаговой селекцией и кумулятивной селекцией (см., например, [5]). Одношаговая селекция происходит в результате случайного небольшого мутационного изменения. Вероятность именно небольшого изменения достаточно велика. Если это изменение оказывается «полезным», оно закрепляется механизмом наследования. Но существенное изменение на одном шаге имеет пренебрежимо малую вероятность. Кумулятивная селекция состоит из множества последовательных одношаговых селекций и приводит к существенным изменениям. Механизм накопления мутаций является законом эволюционного развития.
В этих терминах эволюционное изменение отдельно взятого органа животного происходит следующим образом. Посмотрим, например, на клюв птицы, которая питается насекомыми на деревьях. В какой-то момент происходит мутационное изменение, в результате которого клюв удлиняется на мизерную величину, как мы говорим, «на долю миллиметра». Если в результате естественного отбора такое удлинение оказалось полезным, то будет иметь место одношаговая селекция. Если у этого вида птиц происходит многократное удлинение клюва, то это означает, что произошла кумулятивная селекция – появился дятел. Аналогичным образом можно объяснить формирование крыльев. Сначала это были маленькие отростки, которые помогали будущей птице «подпрыгивать» при перемещении вдоль поверхности земли. Если подпрыгивание оказалось успешным, оно закреплялось генетически и в результате появились птицы.
Здесь все понятно. Сложнее обстоит дело при попытке объяснить эволюционное формирование любой из описанных выше систем, таких как видение, эхолокация, перелет птиц и т.д. Сомнительно, чтобы такие системы могли быть созданы как результат последовательных шагов селекции, так как шаговая селекция основана на уже имеющемся органе, который частично выполняет возложенную на него функцию (см. процедуру развития глаза). Если появилась первая, «стартовая» система, то теория эволюции дает ответ только на вопрос о ее дальнейшем совершенствовании, оставляя неясным «как все началось». Например, у летучей мыши с примитивной СЭЛО, действовавшей в составе описанных выше элементов (выдача исходного ультразвукового импульса, восприятие эхосигнала, формирование образа), может на основе естественного отбора произойти усовершенствование этой системы до того уровня, который мы наблюдаем сегодня. Работа кумулятивной селекции в этом случае была бы понятной. Но трудно себе представить, как даже самая примитивная СЭЛО появилась в результате одношаговой селекции, слишком уж мизерна вероятность такого шага. Система не может работать частично: либо она есть, либо ее нет. Мы сталкиваемся с проблемой первоначального «толчка», в результате которого у живого существа появилась новая система (зрение, эхолокация и др.). Функция этой системы, пусть на первом этапе примитивной, в дальнейшем подчиняется выше описанному эволюционному развитию и совершенствованию.
Таким образом, появление первоначального «толчка» из простой процедуры превращается в кардинальную проблему развития. Как оно произошло? Осторожно! Мы не предлагаем придти к существованию Бога, тем более, что мы не понимаем что такое Бог. В споре между эволюционным путем развития жизни и философией Интеллектуального Создателя под Интеллектуальным Создателем можно понимать внешнюю по отношению к Земле вполне материальную силу или не открытый пока закон живой природы на Земле, который привел к формированию этого «злополучного» толчка. Закон эволюционного развития сейчас почти ни у кого не вызывает сомнения. Поэтому можно рассматривать компромиссный вариант. Первоначально на Земле жизнь была создана внешней силой (в частности, на основе Информационного Окружения, см. выше, раздел 3) или занесена извне (Направленное Осеменение, см. раздел 2). Дальнейшее развитие осуществлялось эволюционно, но в процессе этого происходили «интеллектуальные» корректировки, «толчки», в результате которых эволюционное развитие подправлялось неким Интеллектуальным Создателем, внешним или внутренним.
* * *
Огромный прогресс в области исследования проблемы зарождения и развития жизни на Земле, в особенности достигнутый за последние 50 лет в результате открытий генетики, привел лишь к пониманию огромности этой проблемы, но не к ее разрешению. Мы так до сих пор и не знаем, как зародилась жизнь на Земле и откуда «пришла» генетическая информация живых клеток. Все еще впереди.
Использованная литература
1. В. Раевский. Ранняя история человечества. Фрагменты из книги. Журнал Слово/Word, номера 57, 58. 2008
2. Percival Davis, Dean H. Kenyon, Charles B. Thaxton. Of Pandas and People. The Central Question of Biological Origins. 2005
3. Francis Crick. Life Itself. Its Origin and Nature. 1981
4. Holmes Rolston III. Genes, Genesis and God. Values and Their Origin in Natural and Human History. 1999
5. Andrew Parker. In the Blink of an Eye, 2003
6. Richard Dawkins. The Blind Watchmaker. Why the Evidence of Evolution Reveals a Universe without Design. 1996